El modelo Lambda de Materia Oscura Fría (Lambda CDM) es el modelo cosmológico actual y explica gran parte de lo que observamos en el cosmos. Una de las características centrales de Lambda CDM es la predicción de que la estructura crece jerárquicamente de abajo hacia arriba. Comienza con fluctuaciones en la densidad de la materia oscura, luego se forman galaxias enanas, que luego se fusionan para formar galaxias más masivas, las cuales se fusionan en galaxias aún mayores. Eventualmente, se forman cúmulos de galaxias.
Desde esta perspectiva, las galaxias enanas son las estructuras coherentes más pequeñas y los componentes básicos para estructuras más grandes. Se fusionan en galaxias progresivamente más grandes y así sucesivamente. Sin embargo, encontrar evidencia de fusiones de galaxias enanas ha sido difícil.
Investigaciones recientes publicadas en The Astrophysical Journal Letters presentan evidencia de una fusión de galaxias enanas en las afueras de la Vía Láctea. El estudio, titulado «The Extended Stellar Distribution in the Outskirts of the Ursa Minor Dwarf Spheroidal Galaxy,«, está liderado por Kyosuke Sato, del Programa de Ciencias Astronómicas de la Universidad de Posgrado para Estudios Avanzados en Tokio.
«Dentro de este marco (Lambda CDM), las galaxias enanas son algunos de los primeros sistemas en formarse y representan los componentes básicos más pequeños en el agrupamiento jerárquico», escriben Sato y sus coautores. «Se cree que algunas de estas enanas son los restos supervivientes de las primeras galaxias. Debido a que las abundancias químicas de sus estrellas preservan información de los primeros mil millones de años de la historia cósmica, las galaxias enanas sirven como sondas clave para estudiar la formación de galaxias en el universo temprano.»
*This image shows many of the Milky Way’s dwarf galaxy satellites. UMi dSph is in the upper left, labelled as UMi. Image Credit: ESA/ Gaia /DPAC*
Las galaxias enanas a veces se denominan ‘galaxias fósiles’ porque han sobrevivido tanto tiempo y representan las primeras etapas de la evolución galáctica. Hay al menos 50 de ellas en el halo de la Vía Láctea, y probablemente muchas más; pueden ser difíciles de detectar. Desde la perspectiva de Lambda CDM, estas galaxias enanas son evidencia de una estructura jerárquica. La evidencia de fusiones de galaxias se encuentra en los halos de las galaxias grandes. ¿Podrían los halos de las galaxias enanas también contener evidencia de la estructura jerárquica?
«Los restos de sistemas acrecidos pasados se descubren como subestructuras en el halo de la MW», explican los autores. «Detectar y caracterizar los halos estelares en las galaxias enanas es crucial para comprender si los procesos de fusión jerárquica también fueron activos en galaxias de baja masa. Varios estudios han informado de distribuciones estelares extendidas alrededor de varias galaxias enanas del Grupo Local y se consideran candidatos a halos estelares de galaxias enanas.»
Los autores afirman haber encontrado otra distribución estelar extendida en el halo alrededor de la galaxia enana esferoidal de la Osa Menor (UMi dSph), una de las galaxias satélite de la Vía Láctea. UMi dSph se encuentra a unos 225.000 años luz de la Tierra y parece estar compuesta por estrellas más antiguas y exhibe poca o ninguna formación estelar. Investigaciones previas muestran que se formó en un episodio épico de nacimiento estelar que duró unos 2 mil millones de años. La investigación también muestra que probablemente sea tan antigua como la Vía Láctea.
*The Ursa Minor Dwarf Spheroidal galaxy is about 225,000 light-years away and is about the same age as the Milky Way. Image Credit: By Giuseppe Donatiello from Oria (Brindisi), Italy – Ursa Minor Dwarf, CC0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=71674912*
Encontrar estructuras extendidas en el halo de una galaxia es evidencia de interacciones y fusiones pasadas. Incluso unas pocas estrellas fuera de lugar pueden proporcionar evidencia. Pero las estrellas en las regiones exteriores de una galaxia enana no proporcionan mucha luz para las observaciones, lo que limita los intentos previos de encontrar evidencia de fusiones. En este trabajo, los investigadores utilizaron la cámara de campo amplio del telescopio Subaru para examinar más de cerca UMi dSph, considerada desde hace mucho tiempo como una candidata a un evento de fusión reciente.
«La galaxia enana esferoidal de la Osa Menor (UMi dSph) es una fuerte candidata a tener un halo estelar a pesar de ser la galaxia de menor masa estelar entre las dSph clásicas», explican los investigadores. La investigación de 2023 encontró cinco estrellas candidatas que están más allá del radio de marea de UMi dSph. Pero cinco no son muchas, y todas eran estrellas RGB. Se necesitaba más evidencia antes de que los investigadores pudieran concluir que la enana mostraba signos de una fusión, y las observaciones del equipo con el telescopio Subaru encontraron muchas más estrellas de secuencia principal en el halo de la enana.
UMi dSph se sabe que tiene un eje mayor, como otras galaxias. Pero con sus observaciones, Sato y sus colegas encontraron otro eje, un eje menor. Si bien el eje mayor corresponde a la órbita de la galaxia enana alrededor de la Vía Láctea mucho más masiva, el eje menor tiene una orientación diferente.
This figure from the research illustrates the minor axis of main-sequence stars in UMi dSph (center). The left and right panels show stellar density along the major (left) and minor (right) axes. The black curves in the side panels show the predicted number density profiles assuming no extended stellar structure. The observed number densities (blue and green points) exceed these predictions along both the major and minor axes, indicating the presence of an extended stellar structure in the outskirts. Image Credit: National Astronomical Observatory of Japan.
Según los investigadores, la población del eje menor de estrellas de secuencia principal es evidencia de una actividad de fusión pasada entre UMi dSph y otra galaxia enana.
«Rara vez hemos encontrado evidencia de fusiones de galaxias en las galaxias enanas de la Vía Láctea», dijo el autor principal Sato en un comunicado de prensa. «Este descubrimiento ofrece una nueva forma de pensar sobre cómo se formaron las galaxias enanas».
El descubrimiento está respaldado por simulaciones N-body de otras investigaciones. Las simulaciones N-body son una herramienta crítica en astronomía que permite a los científicos modelar sistemas grandes y complejos con millones o miles de millones de partículas. En este caso, las partículas son estrellas individuales.
«Esta distribución estelar extendida que no sigue la órbita se reproduce en algunas simulaciones N-body de una fusión enana-enana», escriben los autores.
El hallazgo es intrigante, pero los autores explican que aún no es una evidencia concluyente de fusiones enanas-enanas. La distribución estelar aún podría estar relacionada con las interacciones de marea con la Vía Láctea.
«El origen de las estructuras estelares extendidas en las galaxias enanas sigue siendo un tema de debate activo», escriben los investigadores. «Algunas de las dSph de la MW y las UFD (Ultra-Faint Dwarfs) exhiben una distribución estelar extendida mucho más allá de sus radios de marea nominales. Tales estructuras pueden resultar de la distorsión de marea por la MW, donde las fuerzas de marea despojan estrellas de la galaxia, especialmente durante el paso pericéntrico cercano».
Observaciones más profundas de la cinemática estelar y la metalicidad arrojarán más luz sobre la naturaleza de la estructura estelar de UMi dSph.
«Si bien la distorsión de marea puede haber contribuido a la formación de esta estructura extendida, consideramos que un evento de fusión pasado también podría ser un origen plausible», escriben los autores. «Para confirmar la existencia de esta estructura exterior, los estudios fotométricos de las regiones más externas y los análisis quimiodinámicos son esenciales», concluyen.
